摘 要：针对TSMC 和PMSM 各自独特的优点，设计了基于反电动势的TSMC-PMSM 无速度传感器矢量控制系统。整流级和逆变级分别采用无零矢量调制和电压空间矢量调制策略。采用反电动势积分法，通过带饱和反馈环节的磁链观测器和带符号判别的锁相环，实现了转子磁链和转速的估算，分析了各部分工作原理，给出了系统控制框图。最后通过Matlab 仿真和样机实验对所用方案进行了验证，良好的结果验证了方案的可行性和有效性。
关键词 TSMC，PMSM，反电动势，无速度传感器
1 引 言
矩阵变换器(Matrix Converter，MC)是一种高效、节能、可靠、很有发展前途的新型电力变换器[1]。根据拓扑结构的不同，矩阵变换器可分为单级矩阵变换器( 又称常规矩阵变换器， Conventional MatrixConverter, CMC)和双级矩阵变换器(Two-stage MatrixConverter，TSMC)两种。相对CMC，TSMC 具有箝位电、控制策略和换流算法更加简单的特点[2]。因此，TSMC 是一种比CMC 更具发展潜力的新一代电力变换器。
永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM)因其高转矩惯性比、高能量密度、高效率等优点被广泛用于航空航天、电动车、工业伺服等领域。近年来，PMSM 调速系统得以迅猛发展，而在一些特殊应用的场合，PMSM 了速度传感器的使用，因此无传感器控制方法便成了PMSM 的一个研究热点[3]。
针对TSMS 和PMSM 各自独特的优点，将两者结合，发挥各自的优势。国内外学者对CMC-PMSM 进行了较系统的研究，而对TSMC-PMSM 研究相对较少，文献【2】将一种非线性PI 控制方法引入到TSMC-PMSM 矢量控制系统中，以提高PMSM 调速性能。文献【4】设计了基于开关-模糊-PI 复合控制器的TSMC-PMSM 闭环系统速度控制器，有效了扰动。将无速度传感器矢量控制引入到TSMC-PMSM 矢量控制系统的研究更不多见，本文将无速度传感器矢量控制拓展至TSMC-PMSM 系统中，设计了基于反电动势的转子磁链和转速的估算方法，对于表贴式永磁同步电机(SPMSM) 和内埋式永磁同步电机(IPMSM)均适用，在中高速阶段效果较好。
2.1 整流级调制策略
双向开关整流级的调制目的主要有两点，一是要在直流侧输出为正的直流电压，并获得最大的电压利用率。二是使输入电流矢量跟随输入电压矢量按正弦规律变化，以单位输入功率因数[5]。设输入三相电源电压为
2.2 逆变级的调制策略
逆变级的结构与传统逆变器一样，故可采用性能优良的电压空间矢量调制策略(SVM)。不同的是传统逆变器直流电压为恒定值，而TSMC 的逆变级在一个PWM 周期内的直流电压为不等的两级直流电压。当假定直流电压u pn=U 恒定值时，其SVM 调制的示意图
如图3 所示。
3 无速度传感器矢量控制
基于反电动势的无速度估算方法仅依赖于电机的基波方程，计算量小，简单，易于实现。TSMC-PMSM无速度传感器矢量控制原理如图4所示，采用id =0(励磁电流分量)的矢量控制方法，系统包含电流内环和速度外环，其中转子磁链和速度估算是关键。
3.2 带饱和反馈环节的磁链观测器
由式(11)知， 坐标系下的磁链要通过对反电动势的积分得到，如果采用纯积分环节，则会由于其固有的积分初始值和直流偏置而引起磁链观测误差。最简单的解决方法是将纯积分环节替换为一阶低通滤波环节的方法，可以有效消除积分初始值引起的输出误差，但是对于输入直流偏置，却为力，而滤波器的引入又产生新的幅值和相角误差。为此，采用一种带饱和反馈环节的磁链观测器来代替纯积分器，其原理如图5 所示。
3.3 带符号判别的锁相环
由式(11)知，观测器可输出一个包含e 的余弦函数分量和一个正弦函数分量构成。通常采用反正切的方法来估算角，但这种方产生较大的干扰，而引入滤波器又会造成估算角度的滞后。故本文采用锁相环方法，其结构如图6 所示。
3.4 和速度估算原理
根据PMSM 在两相静止坐标系下定子电压、电流，通过带饱和反馈环节的磁链观测器和带符号判别的锁相环，得到转子磁链和转速，如图7 所示。
4 仿真分析
针对上述控制策略，运用Matlab/Simulink 建立了基于反电动势的TSMC-PMSM 无速度传感器矢量控制仿真模型。仿真参数如下：TSMC 三相输入电压为AC380V，50Hz;PMSM 定子电阻R=0.72Ω，直轴电感Ld =3.5mH ,交轴电感Lq=8.2mH ，电机极对数Pn=1。
仿真1 ， 设系统的速度给定为额定转速3000 r/min，负载转矩为1 N m ，仿真时间0.4s。图8(a)为输入电压电流波形，输入侧基本实现单位功率因数，从而证明了TSMC 整流级调制策略的正确性;图8 (b)为中间直流电压稳态波形，因整流级为高频整流且直流侧无电容，故直流侧电压为脉动PWM波，跟理论分析一致;图8 (c)为输出线电压波形。
5 实验研究
硬件平台实现框图如图10 所示，主电包括矩阵变换器整流级开关矩阵、逆变器、输入滤波器和永磁电机。输入滤波器和可控整流级确保输入电流正弦且输入单位功率因数，逆变级在驱动信号作用下将整流级输出的PWM 直流电压变为频率幅值可调的交流电供给永磁同步电机。控制电包括处理器(DSP)和可编程逻辑器件(CPLD)，前者依据采样输入电压电流信号实现闭环控制，同时实现整流和逆变级的调制策略，后者主要依据输入电压的扇区信息对DSP 输出整流级部分触发脉冲进行逻辑分配，并结合DSP 的输出最终得到TSMC 所有驱动信号。